Primordial black holes and gravitational waves from the cosmic inflation

Abstract

The recent data for Cosmic Microwave Background released by Planck collaboration provides us with new constraints in the study of inflation. Moreover, the recent observation of black hole merges by LIGO/VIRGO opens a new window in the study of Primordial Black Holes (PBHs). In particular, the production of PBHs, and as a result, an amount of Dark Matter (DM) in the Universe, can be explained in the context of inflation. This idea is adopted by numerous theoretical researches during the last few years. In addition to the important detection of LIGO/VIRGO, the future space-based experiment, such as LISA, will provide us with important results for the detection of Gravitational Waves (GWs). The generation of GWs can also be studied in the framework of inflation.In this thesis we study the inflationary Cosmology and especially models which are embedded in supergravity theory (SUGRA). Specifically, we study inflationary models which are capable to explain the generation of both PBHs and GWs. These models should have an enhancement in the scalar power spectrum. In order to achieve this reinforcement, we use three different mechanisms. The first one is characterized by an inflection point in the effective scalar potential. The second concerns step-like feature in the potential. Finally, the last mechanism is based on the waterfall regime in the study of hybrid models.For steep step-like feature we study the superconformal α attractors, in order to provide a different SUGRA theory with underlying symmetries. The scalar power spectrum, which is evaluated from this mechanism, has an amplification and an additional oscillation pattern in small scales of scalar power spectrum. We apply this mechanism in a model derived from superconformal α attractors and we present models, which are consistent with the observable constraints.Finally, for hybrid model we use SUGRA corrections, in order to be in accordance with the observable constraints. Specifically, we study the effect of SUGRA corrections in order to observe acceptable values for the observable constraints. This model can explain the whole DM for some choices of parameters. It can also satisfy the GW signal from NANOGrav collaboration at the cost of significantly lower PBH abundance.In all models we present the evaluation of scalar power spectrum, the abundance of PBHs and the energy density of GWs and we find essential results. We analyze the issue of fine-tuning of the parameters and how it can be decreased through these mechanisms.

Τα τελευταία δεδομένα της Κοσμικής Ακτινοβολίας Υποβάθρου στα μικροκύματα που δόθηκαν από την αποστολή Planck μας έδωσαν καινούριους περιορισμούς στη μελέτη του πληθωρισμού. Επιπλέον η πρόσφατη ανίχνευση από το LIGO/VIRGO άνοιξε ένα καινούριο παράθυρο στην μελέτη του πληθωρισμού. Ειδικότερα η πιθανότητα ότι οι αρχέγονες μέλανες οπές (ΑΜΟ), και ως αποτέλεσμα αυτών ένα ποσοστό της σκοτεινής ύλης (ΣΥ) στο Συμπάν, μπορούν να μελετηθούν μέσω του πληθωρισμού πυροδότησε πολλές ερευνητικές μελέτες τα τελευταία χρόνια. Ακόμα τα μελλοντικά πειράματα για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων (ΒΚ), όπως το LISA, αναμένονται να δώσουν σημαντικά αποτελέσματα τα επόμενα χρόνια για την ανίχνευση των ΒΚ, των οποίων η μελέτη μπορεί να γίνει επίσης από πληθωριστικά πρότυπα.Σε αυτήν την εργασία μελετάμε τον κοσμικό πληθωρισμό και ειδικότερα μοντέλα τα όποια είναι εμβαπτισμένα σε θεωρίες υπερβαρύτητας. Ειδικότερα μελετάμε πληθωριστικά μοντέλα που μπορούν να εξηγήσουν την παραγωγή ΑΜΟ και ΒΚ. Τα μοντέλα αυτά πρέπει να έχουν μια ενίσχυση στο ενεργό φάσμα. Για να πετύχουμε αυτή την ενίσχυσή μελετήσαμε τρεις ξεχωριστούς μηχανισμούς. Ο πρώτος αποτελούνταν από ένα ενεργό βαθμωτο δυναμικό με ένα σημείο καμπής, ο δεύτερος από ένα δυναμικό με βήματα, ενώ ο τελευταίος βασίστηκε σε υβριδικά μοντέλα και συγκεκριμένο στο 'καταρράχτη' του δυναμικού.Εφαρμόσαμε αυτές τις τρεις τεχνικές σε θεωρίες υπερβαρυτητας με σκοπό να έχουμε ρεαλιστικά μοντέλα που σέβονται τους περιορισμούς του κοσμικού πληθωρισμού. Τον μηχανισμό με το σημείο καμπής τον εφαρμόσαμε σε θεωρίες no-scale. Ειδικότερα, τροποποιήσαμε υπερδυναμικά που οδηγούν στο βαθμωτό δυναμικό Starobinsky ώστε να προκύψει ένα σημείο καμπής στο ενεργό βαθμωτό δυναμικό, το οποίο θα μπορέσει να εξηγήσει μια ενίσχυσή στο ενεργό φάσμα. Ακόμα εξηγήσαμε την δημιουργία ΑΜΟ και ΒΚ από κατάλληλες τροποποιήσεις στον κινητικό όρο της Λαγκρανζιανης, ή αλλιώς στο δυναμικό Kahler, ώστε να προκύψει ένα σημείο καμπής στο βαθμωτό δυναμικό.Σε επόμενο βήμα μελετήσαμε το μηχανισμό με μορφές τύπου βήματος στο βαθμωτό δυναμικό. Εφαρμόσαμε τον μηχανισμό αυτό σε σύμμορφες υπερβαρυτικες θεωρίες με α-ατρακτορες. Το ενεργό φάσμα που προέκυψε από αυτά τα μοντέλα έχει, εκτός από την ενίσχυση στα μικρά μήκη κύματος, μια επιπλέον ταλαντωτική συμπεριφορά. Για το υβριδικό μοντέλο που προτείνουμε επιβάλαμε διορθώσεις από θεωρίες υπερβαρυτητας με σκοπό να συμφωνούν με τις παρατηρήσεις. Το μοντέλο αυτό μπορεί να εξηγήσει το 100% της ΣΥ με μια κατάλληλη επιλογή παραμέτρων. Επιπλέον, μπορεί να εξηγήσει το σήμα από τα δεδομένα του NANOGrav αλλά σε αυτήν την περίπτωση η αφθονία σε ΣΥ είναι αρκετά μικρότερη. Υπολογίσαμε τα βαθμωτά ενεργά φάσματα, την αφθονία των ΑΜΟ και την ενεργειακή πυκνότητα των ΒΚ για όλα τα προαναφερόμενα πρότυπα. Μελετήσαμε ακόμα το θέμα του fine-tuning των παραμέτρων και πως μειώνεται μέσα από αυτά τα μοντέλα. Όλα τα μοντέλα που παρουσιάζουμε σε αυτήν την εργασία είναι σε πλήρη συμφωνία με τους πληθωριστικούς περιορισμούς.